(57)【要約】【課題】  低コストであり、メンテナンス性が容易であると共に、スパッタを低減するガスシールド溶接方法及び装置を提供する。【解決手段】  溶接トーチ３の先端部に備えられたメインノズル３ａを用いて、溶融池２４を大気から保護する炭酸ガス２０を流すと共に、溶接トーチ３の外部に設けられた細径の添加ガスノズル８を用いて、溶接トーチ３の先端部に形成されたアーク２２の部分に向けて、少量の不活性ガス２１を局部噴射することで、溶滴移行形態をスパッタの少ないスプレー移行に制御する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接トーチの先端部に備えられたメインノズルを用いて、溶融池を大気から保護する第１のガスを流すと共に、
前記溶接トーチの外部に設けられた１つ又は複数の外部ノズルを用いて、前記溶接トーチの先端部に形成されたアーク部分に向けて、第１のガスとは組成の異なる第２のガスを噴射することを特徴とするガスシールド溶接方法。
【請求項２】
請求項１記載のガスシールド溶接方法において、
前記アーク部分が少なくとも前記第２のガスにより形成されたポテンシャルコア領域に含まれるように、前記外部ノズルから前記第２のガスを噴射することを特徴とするガスシールド溶接方法。
【請求項３】
請求項２記載のガスシールド溶接方法において、
前記外部ノズルとして、前記メインノズルの内径の１／１０以上の大きさの内径を用いることを特徴とするガスシールド溶接方法。
【請求項４】
請求項２又は請求項３記載のガスシールド溶接方法において、
前記外部ノズルから噴射される前記第２のガスの流速を、前記メインノズルから流される前記第１のガスの流速の２倍〜１２倍の範囲とすることを特徴とするガスシールド溶接方法。
【請求項５】
請求項２乃至請求項４のいずれかに記載のガスシールド溶接方法において、
前記外部ノズルから噴射される前記第２のガスの流量を５Ｌ／ｍｉｎ以下とすることを特徴とするガスシールド溶接方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のガスシールド溶接方法において、
前記アーク部分の位置を検知するアーク位置検知手段を用いて、前記アーク部分の位置を検知すると共に、
前記外部ノズルの配置位置を制御するノズル位置制御手段を用いて、前記アーク位置検知手段により検知された位置情報に基づき、前記第２のガスの噴射方向を制御することを特徴とするガスシールド溶接方法。
【請求項７】
溶融池を大気から保護する第１のガスを流すメインノズルを備えた溶接トーチと、
前記溶接トーチの外部に設けられ、前記溶接トーチの先端部に形成されたアーク部分に向けて、第１のガスとは組成の異なる第２のガスを噴射する１つ又は複数の外部ノズルと、
を有することを特徴とするガスシールド溶接装置。
【請求項８】
請求項７記載のガスシールド溶接装置において、
前記アーク部分が少なくとも前記第２のガスにより形成されたポテンシャルコア領域に含まれるように、前記外部ノズルでの前記第２のガスの噴射条件を設定したことを特徴とするガスシールド溶接装置。
【請求項９】
請求項８記載のガスシールド溶接装置において、
前記外部ノズルの内径が、前記メインノズルの内径の１／１０以上の大きさであることを特徴とするガスシールド溶接装置。
【請求項１０】
請求項８又は請求項９記載のガスシールド溶接装置において、
前記外部ノズルから噴射される前記第２のガスの流速が、前記メインノズルから流される前記第１のガスの流速の２倍〜１２倍の範囲であることを特徴とするガスシールド溶接装置。
【請求項１１】
請求項８乃至請求項１０のいずれかに記載のガスシールド溶接装置において、
前記外部ノズルから噴射される前記第２のガスの流量が５Ｌ／ｍｉｎ以下であることを特徴とするガスシールド溶接装置。
【請求項１２】
請求項７乃至請求項１１のいずれかに記載のガスシールド溶接装置において、
前記アーク部分の位置を検知するアーク位置検知手段と、
前記アーク位置検知手段により検知された前記アーク部分の位置情報に基づき、前記外部ノズルの配置位置を制御して、前記第２のガスの噴射方向を制御するノズル位置制御手段と、
を有することを特徴とするガスシールド溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスシールド方式を用いた溶接方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
アーク溶接方法として、シールドガスに１００％ＣＯ2ガスを用いる炭酸ガスアーク溶接方法は、能率、コスト面に優れる溶接方法であり、橋梁、運搬機等の製品に多く用いられている。
【０００３】
【特許文献１】特公平７−３６９５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記炭酸ガスアーク溶接方法は、大電流域では溶滴移行形態がグロビュール移行となり、スパッタが多発する欠点がある。具体的な例を図７（ａ）に示す。なお、図７において、母材を３１、溶接ワイヤを３２、溶接トーチを３３、炭酸ガスを３４、アークを３５、溶滴を３６、母材の溶融池を３７で示す。溶接現象としては、炭酸ガス３４のアークの電位傾度が高いこと等の理由により、アーク３５が緊縮して溶接ワイヤ３２の先端の陽極点が１点に集中しやすく、電磁的ピンチ効果で溶滴３６が上方に押し上げられ、大塊の溶滴３６が成長しやすくなる。そして、押し上げられた大塊の溶滴３６が溶接ワイヤ３２の端部から離脱する際に、スパッタを多発することとなる。このスパッタの発生は溶接性を悪化させるだけでなく、シールドノズルに堆積してシールドガスの流れを乱し、溶接欠陥を誘発したり、製品に付着したスパッタの除去作業が必要であったり等、デメリットが多く、スパッタレス化のニーズは高い。
【０００５】
現在、ガスシールドを行うアーク溶接方法において、スパッタを低減する方法としては以下の方法がある。
１）溶接電源の電流波形（パルス波形）制御による溶滴移行制御。
２）溶接ワイヤの送給速度制御による溶滴移行制御。
３）スパッタの少ないＡｒ等の不活性ガスを主体とする多元系混合ガスをシールドガスとして使用。
４）２重のガスシールドノズルを用い、内側のノズルに不活性ガスを使用（図７（ｂ）参照）。
【０００６】
１）、２）の方法では、短絡等を防ぐことで、スパッタを低減するものであり、溶接装置自体の改善を図るため、高価な高精度の制御装置が必要であり、装置コストが高くなる。又、これらの方法は、基本的に小〜中電流域での短絡移行におけるスパッタ低減を図るものであり、大電流域でのグロビュール移行におけるスパッタ低減効果はあまり期待できない。
３）の方法は、炭酸ガスの場合と比較して、多元系混合ガスの電位傾度等が異なるため、アークの性状、溶滴移行の形態を本質的に変え、特に、大電流域でのスパッタ低減の効果が期待できる。又、高価な装置も不要である。しかし、安価な炭酸ガスに比べ、多元系混合ガスは２〜５倍程度高価であり、作業現場での使用にはガスコストが高く、大きなネックとなる。
４）の方法は、２重のガスシールドノズル（外側ノズル３８、内側ノズル３９）の構造が複雑になり、ノズル、溶接チップの清掃、交換等のメンテナンスが困難になる。スパッタが発生した場合には、溶接チップと内側ノズル３９との隙間が狭いため、溶接チップと内側ノズル３９が一体化してしまい、取り外しができなくなるおそれもある。そのため、内側ノズル３９を必要以上にコンパクトにすることが困難となり、内側ノズル３９に使用する高価な不活性ガス４０のガス量の少量化も難しい。又、外側ノズル３８、内側ノズル３９にスパッタが付着した場合、ガスシールドが不良となり、溶接欠陥を招くおそれもある（図７（ｂ）参照）。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、低コストであり、メンテナンス性が容易であると共に、スパッタを低減するガスシールド溶接方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する本発明に係るガスシールド溶接方法は、
溶接トーチの先端部に備えられたメインノズルを用いて、溶融池を大気から保護する第１のガスを流すと共に、
前記溶接トーチの外部に設けられた１つ又は複数の外部ノズルを用いて、前記溶接トーチの先端部に形成されたアーク部分に向けて、第１のガスとは組成の異なる第２のガスを噴射することを特徴とする。
例えば、第１のガスとしては、炭酸ガスを用い、第２のガスとしては、Ａｒ等の不活性ガス又は不活性ガスを主成分とする２元系、３元系等の混合ガスを用いる。又、第２のガスは、同じ成分のガスを複数の外部ノズルから噴射するようにしてもよいし、異なる成分のガスを複数の外部ノズル各々から噴射するようにしてもよい。
【０００９】
上記課題を解決する本発明に係るガスシールド溶接方法は、
上記ガスシールド溶接方法において、
前記アーク部分が少なくとも前記第２のガスにより形成されたポテンシャルコア領域に含まれるように、前記外部ノズルから前記第２のガスを噴射することを特徴とする。
つまり、アーク部分を第２のガスが形成するポテンシャルコア領域で局部シールドすることで、溶滴移行形態をスパッタの少ないスプレー移行に制御する。ここで、ポテンシャルコア領域とは、第２のガスが、第１のガスによる偏向や濃度拡散の少ない状態で第１のガスを貫通する領域をいう。
【００１０】
上記課題を解決する本発明に係るガスシールド溶接方法は、
上記ガスシールド溶接方法において、
前記外部ノズルとして、前記メインノズルの内径の１／１０以上の大きさの内径を用いることを特徴とする。
【００１１】
上記課題を解決する本発明に係るガスシールド溶接方法は、
上記ガスシールド溶接方法において、
前記外部ノズルから噴射される前記第２のガスの流速を、前記メインノズルから流される前記第１のガスの流速の２倍〜１２倍の範囲とすることを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する本発明に係るガスシールド溶接方法は、
上記ガスシールド溶接方法において、
前記外部ノズルから噴射される前記第２のガスの流量を５Ｌ／ｍｉｎ以下とすることを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する本発明に係るガスシールド溶接方法は、
上記ガスシールド溶接方法において、
前記アーク部分の位置を検知するアーク位置検知手段を用いて、前記アーク部分の位置を検知すると共に、
前記外部ノズルの配置位置を制御するノズル位置制御手段を用いて、前記アーク位置検知手段により検知された位置情報に基づき、前記第２のガスの噴射方向を制御することを特徴とする。
アーク位置検知手段としては、映像によるＣＣＤカメラ等があり、その他、光による輝度センサや熱による温度センサ等を用いてもよい。
【００１４】
上記課題を解決する本発明に係るガスシールド溶接装置は、
溶融池を大気から保護する第１のガスを流すメインノズルを備えた溶接トーチと、
前記溶接トーチの外部に設けられ、前記溶接トーチの先端部に形成されたアーク部分に向けて、第１のガスとは組成の異なる第２のガスを噴射する１つ又は複数の外部ノズルと、
を有することを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決する本発明に係るガスシールド溶接装置は、
上記ガスシールド溶接装置において、
前記アーク部分が少なくとも前記第２のガスにより形成されたポテンシャルコア領域に含まれるように、前記外部ノズルでの前記第２のガスの噴射条件を設定したことを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決する本発明に係るガスシールド溶接装置は、
上記ガスシールド溶接装置において、
噴射条件として、前記外部ノズルの内径が、前記メインノズルの内径の１／１０以上の大きさであることを特徴とする。
【００１７】
上記課題を解決する本発明に係るガスシールド溶接装置は、
上記ガスシールド溶接装置において、
噴射条件として、前記外部ノズルから噴射される前記第２のガスの流速が、前記メインノズルから流される前記第１のガスの流速の２倍〜１２倍の範囲であることを特徴とする。
【００１８】
上記課題を解決する本発明に係るガスシールド溶接装置は、
上記ガスシールド溶接装置において、
噴射条件として、前記外部ノズルから噴射される前記第２のガスの流量が５Ｌ／ｍｉｎ以下であることを特徴とする。
【００１９】
上記課題を解決する本発明に係るガスシールド溶接装置は、
上記ガスシールド溶接装置において、
前記アーク部分の位置を検知するアーク位置検知手段と、
前記アーク位置検知手段により検知された前記アーク部分の位置情報に基づき、前記外部ノズルの配置位置を制御して、前記第２のガスの噴射方向を制御するノズル位置制御手段と、
を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、溶接トーチの外部に設けた外部ノズルを用いて、アーク部分に不活性ガスを噴射するので、メンテナンス性が容易且つ低設備コストとなると共に、アーク部分を不活性ガスでシールドして、スパッタの発生を大幅に低減することができる。又、スパッタ低減の結果、溶接後の後処理の工数を大幅に短縮することが可能となる。
【００２１】
又、本発明によれば、噴流理論に基づいて、不活性ガスの噴射条件を設定したので、溶滴移行形態をスプレー移行に確実に制御して、スパッタの発生を確実に低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明は、溶融池全体を大気から保護するメインシールドのガスに、従来と同様に炭酸ガスを用いると共に、溶接トーチの外部、つまり、メインシールドのガスノズルとは別軸に設けられた細径のガスノズルを用いて、アーク部分に向かって、少量の不活性ガス、又は、不活性ガスを主成分とする混合ガスを噴射することにより、溶滴移行形態をスパッタの少ないスプレー移行に制御するものである。
【００２３】
又、本発明では、溶滴移行形態をスプレー移行で安定して制御するため、つまり、アークを安定させると共に溶接品質を低下させないようにするため、噴流理論に基づき、外部のガスノズルでの不活性ガスの噴射条件を適切に設定して、噴射された不活性ガスがメインシールドガスを横切って、アーク部分に確実に届くようにしている。
【実施例１】
【００２４】
図１は、本発明に係るガスシールド溶接装置の概略の構成図である。
図１に示すように、本発明に係るガスシールド溶接装置は、母材１を溶接するための溶接ワイヤ２を有し、溶接ワイヤ２を支持する溶接トーチ３が、母材１に対して３次元方向に移動可能に位置制御されている。溶接トーチ３では、ワイヤ送給装置４から溶接ワイヤ２が送給されると共に、母材１の溶融池を大気からシールドするためのＣＯ2ガス（第１のガス）が溶接トーチ３の先端部に備えられたメインノズルを通過して供給される。上記ＣＯ2ガスは、減圧弁・流量計５、電磁弁６を介して、炭酸ガスボンベ７から供給される構成である。
【００２５】
更に、本発明では、溶接トーチ３外部の近傍に、１つ又は複数の添加ガスノズル（外部ノズル）８を設け、この添加ガスノズル８から、ＣＯ2ガスとは組成の異なる不活性ガス（第２ガス）が、ＣＯ2ガス中に噴射される構成としている。上記不活性ガスは、減圧弁・流量計９、電磁弁１０を介して、不活性ガスボンベ１１から供給される構成である。不活性ガスとしては、ＡｒやＨｅ等を用いるが、ＡｒやＨｅ等の不活性ガスにＣＯ2やＯ2等を加えた２元系、３元系の混合ガスを用いてもよい（以降、これらのガスも含めて不活性ガスと呼ぶ。）。複数の添加ガスノズル８を有する場合には、同種の不活性ガスを各々噴射するようにしてもよいし、異種の不活性ガスを各々噴射するようにしてもよい。
【００２６】
又、添加ガスノズル８には、ＣＣＤカメラ（アーク位置検知手段）１２が設けられており、ＣＣＤカメラ１２による画像解析によりアークの位置を把握し、ノズル位置制御装置（ノズル位置制御手段）１３を用いて、添加ガスノズル８の噴射方向（添加ガスノズル８の角度、３次元位置等）をアークの方向へ制御して、アーク部分が最適なガスシールド状態になるように制御されている。添加ガスノズル８の狙い方向としては、アーク部分を上方から望む位置から、添加ガスノズル８の中心軸を概ね溶接ワイヤ２の先端のアーク発生点に向けるのが望ましい。アーク位置検知手段としては、ＣＣＤカメラの他に、光による輝度センサや熱による温度センサ等を用いてもよい。なお、このとき、溶接条件に応じて、不活性ガスの流量を調整するようにしてもよい。
【００２７】
又、溶接条件に大きな変更がない場合には、添加ガスノズル８の狙い方向も大きな変更が無いため、溶接トーチ３と添加ガスノズル８とを一体に構成して、ノズル位置制御装置１３を省略する構成としてもよい。
【００２８】
上記ワイヤ送給装置４、電磁弁６、１０、ノズル位置制御装置１３等の被制御装置は、制御装置１４により適切に制御されており、又、母材１と溶接ワイヤ２間にアークを発生させる溶接電源１５も制御装置１４により電流制御等が行われており、上記２系統のガスの流れを定常状態とした上で、ガスシールド溶接が行なわれる。
【００２９】
図２は、本発明に係るガスシールド溶接装置における溶接中のシールド状態を説明する図である。
図２に示すように、本発明に係るガスシールド溶接装置では、溶接中に炭酸ガス２０を溶接トーチ３の先端部のメインノズル３ａから流すと共に、アーク２２に向けて不活性ガス２１を添加ガスノズル８から噴射することで、アーク２２は不活性ガス２１でガスシールドが行われて、スプレー移行状態となって適切な溶滴２３が形成されることとなる。又、アーク２２の部分の周辺は、溶融池２４を含めて、炭酸ガス２０でガスシールドが行われて、大気による酸化窒化が防止されることとなる。本発明に係るガスシールド溶接装置では、アーク２２の部分に不活性ガス２１を噴射する方法として、メインノズル３ａの外部に、メインノズル３ａとは別軸に細径の添加ガスノズル８を設け、メインシールドガスである炭酸ガス２０の流れを横切る形でアーク２２に不活性ガス２１を噴射する方式とした。これは、溶接トーチ３の外部にノズルを設ける方が構造が簡単であり、メンテナンス面で実用性に優れるからである。又、添加ガスノズル８の先端は、溶接トーチ３のメインノズル３ａの先端の位置に配置されており、炭酸ガス２０の流れと大気との境界から、やや内側の位置に配置されて、大気の巻き込みをできるだけ防止するようにしてある。
【００３０】
上記構成により、多くのガス量を必要とする溶融池２４の部分のシールドには、従来と同じ炭酸ガス２０を用いることができ、更に、溶滴移行に影響するアーク２２の部分のみに、局部的に不活性ガス２１を噴射して、溶滴移行形態をスプレー移行に制御することができる。Ａｒ等の不活性ガスをシールドガスに使用した場合、Ａｒ等の不活性ガスは、アークの電位傾度が低く、極点の集中度が少ないことから、溶接ワイヤ２の先端全体に陽極点が形成されるようになり、溶滴２３が小粒で移行する形態、所謂、スプレー移行となり、スパッタの発生がほとんどない。
【００３１】
ここで、上記構成における使用する不活性ガス２１の流量を試算してみた。具体的には、不活性ガス２１の流量を定量的に設定するため、アーク２２の部分の雰囲気を制御するのに必要な不活性ガス２１の流量を試算してみた。図２において、メインノズル３ａの内径をａ、母材表面におけるアーク直径をｂとし、メインノズル３ａ下に流速一様の円柱状シールドガス流を仮定し、アーク直径ｂと等しい範囲に流れる流量を必要な不活性ガス２１の流量と考える。メインノズル３ａの内径に等しい円の面積をＳｎ、アーク部分の面積をＳａとすると、
Ｓｎ＝πａ2／４
Ｓａ＝πｂ2／４
トータルガスの流量をｃとすると、上記面積の比より、アーク部分に必要な不活性ガス２１の流量Ｑａは以下となる。
Ｑａ＝ｃ×Ｓａ／Ｓｎ
通常、トータルガスの流量はｃ＝２０Ｌ／ｍｉｎ程度であり、メインノズル３ａの内径はａ＝２０ｍｍ、母材表面におけるアーク直径はｂ＝７ｍｍであるので、この条件を上記式に適用すると、少なくとも、約２．５Ｌ／ｍｉｎ程度の不活性ガス２１をアーク２２の部分に供給すれば、本発明に係るガスシールド溶接装置において、溶滴移行形態を適切に制御できることとなる。不活性ガス２１の使用量が数Ｌ／ｍｉｎ程度の少量であれば、従来の炭酸ガス溶接方法に対してのコストアップは少ない。又、不活性ガス２１の使用量の上限としては、コスト面から、トータルガスの流量の１／４程度以下、つまり、５Ｌ／ｍｉｎ以下が望ましい。
【００３２】
次に、噴流理論に基づき、不活性ガスの噴射条件の設定を、図３、図４を用いて以下に説明する。本発明のガスシールド溶接装置では、溶滴移行形態をスプレー移行に確実に制御するため、不活性ガスの噴射条件の適切な設定が必要となる。
なお、図３（ａ）は、ポテンシャルコアを説明する図であり、図３（ｂ）は、流速比に対するポテンシャルコア長さ／ノズル内径の比を示すグラフである。
【００３３】
外部ノズル方式における不活性ガスの流れは、横風となるメインシールドガスの流れを横切る形で、噴流となる不活性ガスが流れ込む現象と考えることができる。
横風Ｕ1の流れ方向をｘ軸とし、噴流Ｕ0の流れ方向をｙ軸とすると、横風Ｕ1を受ける噴流Ｕ0において、噴流ノズル出口（Ａ−Ｂ）からある長さに渡ってポテンシャルコア（Ａ−Ｃ−Ｂ）と呼ばれる領域Ｉがあり、この領域Ｉにおいては、ノズル出口（Ａ−Ｂ）から出たガスは、横風Ｕ1による偏向や濃度拡散の少ない状態で横風Ｕ1を貫通する（図３（ａ）参照）。つまり、図２において、添加ガスノズル８の先端からアーク２２までの距離と同等以上のポテンシャルコア長さが得られれば、不活性ガス２１をアーク２２に安定して供給できることを意味する。なお、図３（ａ）において、領域IIは、横風Ｕ1による偏向を受ける最大偏向領域であり、領域IIIは、横風Ｕ1により拡散される渦領域である。これらの領域II、IIIでは、不活性ガス２１をアーク２２に安定して供給することが、難しい領域となる。又、線分ＡＤは噴流の外側境界、線分ＢＥは噴流の内側境界、線分ＯＧは噴流の中心線を表し、ポテンシャルコア領域は、噴射条件により噴流軸ＯＦに沿って伸縮する。
【００３４】
ここで、添加ガスノズル内径をｄとし、横風Ｕ1に対する噴流Ｕ0の流速比をαとして、ポテンシャルコアの長さξを添加ガスノズル内径ｄの比として、図３（ｂ）のグラフに示した。図３（ｂ）のグラフから、ポテンシャルコアの長さξは、「横風Ｕ1と噴流Ｕ0の流速比α」と「添加ガスノズル内径d」に依存していることがわかる。ここで、図３（ｂ）中、黒丸のグラフは添加ガスノズル内径ｄが大きい場合、白丸のグラフは添加ガスノズル内径ｄが小さい場合、三角のグラフは添加ガスノズル内径ｄがそれらの中間の場合を示す。図３（ｂ）のグラフ中において、α＝５〜１０の範囲について、これらのパラメータの関係を概略関数近似すると以下の式となる。
ξ＝１．３d・α1/2      （1）
【００３５】
上記式（１）を用いて、横風Ｕ1と噴流Ｕ0の流速比α、添加ガスノズル内径dをパラメータとして、ポテンシャルコア長さξを計算した結果が図４（ａ）に示すグラフである。ここでは、標準的なメインノズルの直径をＤとして、添加ガスノズル内径ｄ＝１／１０Ｄ、１／７Ｄ、１／５Ｄの場合について計算を行った。メインノズルの半径１／２Ｄ、つまり、メインノズルの端からアークまでの距離である１／２Ｄを、必要なポテンシャルコア長さとすると、添加ガスノズル内径ｄ＝１／7Ｄのノズルで流速比６．５以上の場合に、必要なポテンシャルコア長さ１／２Ｄが得られることがわかる。
【００３６】
更に、標準的な条件の横風流速、つまり、メインシールドガスの標準的な流速において（例えば、メインノズル内径＝２０ｍｍ、メインシールドガス流量＝２０Ｌ／ｍｉｎの場合、メインシールドガスの標準的な流速＝１．１ｍ／ｓ）、不活性ガスの流量（噴流流量）を、流速比αと添加ガスノズル内径dをパラメータとして計算した結果が、図４（ｂ）に示すグラフである。添加ガスノズル内径ｄ＝１／7Ｄのノズルで流速比５．５以上の場合に、溶滴移行形態に必要なガス流量２．５Ｌ／ｍｉｎ以上を満たすことがわかる。コスト的な側面から考えると、できるだけ少ない不活性ガスの流量で本発明の効果が得られることが望ましい。そのためには、添加ガスノズル内径を小さくして、比較的高い流速比にすればよいが、小さすぎるノズル内径や大きすぎる流速比は、ポテンシャルコア領域が狭かったり、大気を巻き込んだりして、アーク部分のガスシールドが不十分になる可能性がある。従って、メインノズルの内径が１１ｍｍ程度の小さい場合も考慮した場合、添加ガスノズルの内径ｄの下限としては、少なくとも１／１０Ｄ以上の内径が必要となる。又、添加ガスノズルの内径ｄの上限は、より大きい内径のものを用いてもよいが、ポテンシャルコア形成のための下限流速比を５とすると内径が大きいほど不活性ガスの必要流量が増加するため、不活性ガスの消費量を考慮した場合、１／４Ｄ程度までの内径が望ましい。
【００３７】
上記計算より、不活性ガスの噴射条件としては、添加ガスノズル内径ｄ＝１／7Ｄ、ガス流速比α＝６．５以上の場合に、必要なポテンシャルコア長さと必要な不活性ガスの流量の両方を満足する。そこで、内径１／7Ｄの添加ガスノズルを用いて、本発明に係るガスシールド溶接装置におけるスパッタ低減の効果を検証した。
【００３８】
検証実験では、図１に示したガスシールド溶接装置において、母材として高張力鋼を用いて、下向溶接を行った。主な実験条件としては、炭酸ガスアーク溶接において、スパッタ発生が顕著な２８０〜３００Ａの大電流域で溶接するようにした。又、メインシールドガスの流量は、ガス添加の影響を分かり易くするため、一定の流量条件に固定した。不活性ガスも、ガス添加の影響が分かり易いように、９５％Ａｒ−５％ＣＯ2の２元系ガスを選定した。これは、Ａｒ−ＣＯ2２元系ガスをシールドガスとするＭＡＧ溶接法においては、Ａｒの比率が８０％以上で顕著なスパッタ低減効果が得られることが知られており、特に、９５％Ａｒ−５％ＣＯ2の条件の場合に、溶け込み形態、電流波形、アーク形態が１００％ＣＯ2の場合と顕著に異なるためである。又、添加ガスノズルの先端がメインノズル先端に位置するように配置し、その狙い位置は、溶接ワイヤ先端の陽極点よりやや上方とし、母材表面に対する角度を４０°とした。上記実験条件において、アーク形態、溶滴移行形態、スパッタ発生量に及ぼす影響を調べた。
【００３９】
図５に、ノズルに付着したスパッタ量を、流速比に対して測定した結果を示す。９５％Ａｒ−５％ＣＯ2の２元系ガスをアークに噴射していくと、流速比＝１の条件では顕著な効果は見られなかったが、流速比＝２の条件で電流波形、アーク・溶滴移行形態に変化が現れ始め、流速比＝２．５〜４で顕著なスパッタ低減効果が確認できた。この場合、電流波形の凹凸が小さくなり、アーク形状がスプレー移行特有の裾広円錐形となり、又、溶接ワイヤ先端に大きな溶滴は見られず、母材への溶け込み形態もスプレー移行特有のビード中央部が深いワインカップ状の溶け込みとなっていた。スパッタ発生量は、流速比＝３のとき最も少なくなっており、従来の炭酸ガス溶接に比べ1／6程度に低下している。更に流速比をあげ、流速比＝１２とした場合には、シールド不良が発生し、ブローホールが発生した。これは、大気の巻き込みが多くなり、良好なシールド状態が保てなかったためと思われる。以上の検証実験から、流速比＝２．５〜４、特に３の場合がベスト条件であり、下限としては流速比＝２、上限としては流速比＝１２であることがわかった。この結果は、流速比を不活性ガスの流量に換算すると、図４において示した必要ポテンシャルコア長さを満足する不活性ガスの流量の計算値とよく一致する。
【００４０】
次に、Ａｒ−ＣＯ2の２元系ガスにおけるガス組成の影響について検証した。
９５％Ａｒ−５％ＣＯ2の２元系ガスは、市販品ではあるがやや特殊であり、通常のＭＡＧ溶接で多く使用されるＡｒ＋１０〜２０％ＣＯ2の２元系ガスに比べて入手しにくい。そこで、Ａｒ−ＣＯ2の２元系ガスにおいて、本発明の効果が得られるＣＯ2比率を把握する検証実験を行った。不活性ガスの流量は、９５％Ａｒ−５％ＣＯ2の２元系ガスで最も効果の得られた流量の条件に固定し、Ａｒに対するＣＯ2比率が変わるように、各ガス流量を変えて、検証実験を行った。その結果が、図６に示すグラフである。Ａｒに対するＣＯ2比率が１５〜２０％の場合には、スプレー移行にならず、スパッタ付着量も多いが、Ａｒに対するＣＯ2比率が１０％の場合には、スプレー移行が達成でき、スパッタ付着量も低減できた。図６のグラフに示すように、Ａｒに対するＣＯ2比率が５〜１０％の場合に、低スパッタ化効果が顕著に得られていることがわかる。
【００４１】
今回、検証実験において、スパッタの発生量を従来法の１／６に低減できる結果が得られた。そこで、この場合の後処理の工数低減効果を試算した。
工数低減項目としては以下の２項目を考えた。
１）ノズルに付着したスパッタの除去作業工数
２）製品に付着したスパッタの除去作業工数
１）の項目については、スパッタ発生量に比例して、作業工数が１／６に低減され、又、２）の項目については、作業対象面積は同じであることから、作業工数は必ずしもスパッタ量に比例しないが、１／２程度に低減されるとして、これらの工数低減時間を試算すると、溶接工数の２０〜３０％に相当する大幅工数低減の可能性が確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係るガスシールド溶接装置の概略の構成図である。
【図２】本発明に係るガスシールド溶接装置における溶接中のシールド状態を説明する図である。
【図３】ポテンシャルコアを説明する図と、流速比に対するポテンシャルコア長さ／ノズル内径の比を示すグラフである。
【図４】本発明に係るガスシールド溶接装置において、流速比に対するとポテンシャルコア長さ、不活性ガス流量のグラフである。
【図５】本発明に係るガスシールド溶接装置における流速比とスパッタ付着量のグラフである。
【図６】本発明に係るガスシールド溶接装置における不活性ガス濃度とスパッタ付着量のグラフである。
【図７】従来のガスシールド溶接装置における溶接中のシールド状態を説明する図である。
【符号の説明】
【００４３】
１    母材
２    溶接ワイヤ
３    溶接トーチ
３ａ  メインノズル
４    ワイヤ送給装置
５    減圧弁・流量計
６    電磁弁
７    炭酸ガスボンベ
８    添加ガスノズル
９    減圧弁・流量計
１０  電磁弁
１１  不活性ガスボンベ
１２  ＣＣＤカメラ
１３  ノズル位置制御装置
１４  制御装置
１５  溶接電源
２０  炭酸ガス
２１  不活性ガス
２２  アーク領域
２３  溶滴
２４  溶融池
【図１】
2005177822.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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